数字孪生

数字孪生的工作原理是什么

数字孪生是一种旨在精确反映物理对象的虚拟模型。 会给研究对象（例如，风力涡轮机）配备与重要功能方面相关的各种传感器。 这些传感器产生与物理对象性能各个方面有关的数据，例如，能量输出、温度和天气条件等等。然后将这些数据转发至处理系统并应用于数字副本。

一旦获得此类数据，虚拟模型便可用于运行模拟、研究性能问题并生成可能的改进方案；所有这些都是为了获取富有价值的洞察成果，然后将之再应用于原始物理对象。

数字孪生的类型

根据产品放大程度的不同，数字孪生有多种类型。 这些数字孪生之间最大的区别就在于应用领域。 在同一系统或流程中同时存在不同类型的数字孪生，这种情况很常见。 我们来看看不同类型的数字孪生，了解一下它们之间的差异以及应用方式。

组件孪生/部件孪生

组件孪生是数字孪生的基本单元，是最小的功能组件示例。 部件孪生大致相同，但属于重要性稍差一些的组件。

资产孪生

当两个或多个组件一起工作时，就形成了所谓的资产。 资产孪生让您能够研究这些组件的交互，创建大量可处理的性能数据，然后转化成可行的洞察成果。

系统孪生或单元孪生

进一步的放大则包含系统孪生或单元孪生，能够展现不同的资产如何汇聚在一起，共同形成一个完整的功能系统。 通过系统孪生，您可以看到资产之间的交互，并还可获取有关性能优化方面的建议。

流程孪生

流程孪生（宏观层面的放大）展现系统如何通过协同工作来建立整个生产设施。 为达到最高效率，那些系统是否都同步运行？或者一个系统的延迟是否会影响其他系统？ 流程孪生可帮助确定最终影响整体效率的精确时间控制方案。

数字孪生技术的历史

1991 年，David Gelernter 出版的 镜像世界》(Mirror Worlds) 中首次提出了数字孪生技术的理念。 然而，是 Michael Grieves 博士（当时在密歇根大学任教）于 2002 年将数字孪生概念首次应用于制造业并正式发布了数字孪生软件的概念。 最终，2010 年，美国国家航空航天局 (NASA) 的 John Vickers 引入了一个新名词“数字孪生”。

但其实在更早些时候，利用数字孪生来研究物理对象的核心理念就得到了见证。 实际上，可以这样说，上世纪 60 年代，NASA 就在太空探索任务中率先使用了数字孪生技术，每艘飞行的宇宙飞船都被精确复制了一个地面版本，供 NASA 机组人员研究和模拟使用。

数字孪生的优点和好处

促进研发

利用数字孪生能够更高效地研究和设计产品，生成与潜在性能结果相关的大量数据。 根据这些信息得出的洞察成果可帮助企业在开始生产之前就能进行必要的产品改进。

效率更高

即使在新产品投入生产后，数字孪生也有助于真实反映和监控生产系统，以期在整个制造流程中获得和保持最高效率。

产品生命末期管理

数字孪生甚至可以帮助制造商决定如何处理生命周期结束并需要通过回收或其他措施进行最终处理的产品。 通过使用数字孪生，制造商能够确定哪些产品材料可以回收。

数字孪生的广泛应用

发电设备

大型发动机（包括喷气发动机、机车发动机和发电用汽轮机）因使用数字孪生而受益无穷，尤其是在帮助制定定期维护时间表等活动中。

结构体及其系统

大型物理结构体（如大型建筑物或海上钻探平台）可通过数字孪生进行改进，尤其是在设计过程中。 此外，在设计这些结构体内运行的系统（如暖通空调）方面，数字孪生也非常有用。

制造过程

数字孪生旨在反映产品的整个生命周期；因此，这样的运作已经很普遍了：数字孪生贯穿于制造的各个阶段，从设计到成品以及中间的各个步骤，均可为之提供产品指导和建议。

医疗保健服务

正如可通过使用数字孪生描绘和反映产品一样，对接受医疗保健服务的患者也可以采用这种技术。 可利用相同类型的传感器数据系统来跟踪各种健康指标，并生成重要的洞察成果。

汽车行业

汽车代表的是许多种协同工作的复杂系统，数字孪生广泛用于汽车设计，既可以提高车辆性能，又能提高生产效率。

城市规划

土木工程师及其他参与城市规划活动的人员通过使用数字孪生获得了极大的帮助。数字孪生可实时显示 3D 和 4D 空间数据，还能将增强现实系统整合至各种内置环境中。